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挤压造粒机与聚丙烯熔融指数的影响因素分析

黄麒泽
摘要：本文通过分析海南炼化聚丙烯装置挤压造粒机在生产高MFR聚丙烯产品时出现垫刀料的原因，提出优化工艺参数和改进设备操作的方法。
关键词：聚丙烯；高MFR；挤压造粒机
1、聚丙烯装置现状
海南炼化聚丙烯装置自2006年投用生产以来，受装置和市场的局限，能生产的聚丙烯牌号较少，建厂以来生产过的牌号主要有PPH-T03、PPH-F03D、PPH-F03G、PPH-F08、V30G和Z30S，且都是技术成熟的牌号，MFR在2.5～30之间，随着市场需求的不断变化和炼油厂的持续扩建，聚丙烯销售价格也持续走低海南炼化聚丙烯装置在市场竞争中的不利形势也逐步显现。2017年根据公司新的发展战略要求，聚丙烯装置要重点开发高MFR产品牌号，形成新的品牌优势，在激烈的烯烃市场竞争中抢占先机。
2017年聚丙烯装置成功开发生产了Y38和MN65两种牌号产品，MFR高达65g/10min，产品质量赢得了客户一致的好评。然而在2017年10月大检修后，挤压造粒机在转产Y38牌号时总是出现垫刀的现象，导致造粒机无法正常生产而停车。即使重新开车生产以前技术成熟的牌号也偶尔会出现一些粘连料。装置内工艺和设备专业人员对此展开分析，探讨挤压造粒机出现这种现象的根源所在。
2、挤压造粒机组简介
海南炼化ZSK320挤压造粒机主要由辅助电机、主电机、减速箱、筒体、节流阀、开车阀、模板和切粒机等部件组成。共同完成对聚丙烯切粒的效果。辅助电机在挤压机主电机启动前辅助启动的作用，而主电机是挤压机正常运行时的唯一驱动。减速箱把主电机的转速降低传递给螺杆，共有两个档位，低速挡183rpm，高速挡222rpm。筒体内有两根同向转动的螺杆，相互紧密啮合。节流阀调节筒体螺杆挤出的溶体流量。开车阀有两个方向一个切地，一个切向模板，在开车阶段清理筒体物料时使用。模板是聚丙烯溶体到切粒机的最后一道关卡，聚丙烯溶体从模板上的小孔流出，形成长条形状，切粒机切刀紧贴模板旋转，对模板流出的溶体进行切粒。
3、挤出速率和溶体粘度的关系

熔融状态下的聚丙烯在筒体的挤出过程共分为三个阶段，分别为加料段、压缩段和均化段。通常以均化段的生产率代表挤出机的生产率。塑料熔体通过筒体均化段的流动方程可用下式表达：
在生产负荷不变的情况下，挤压机的压力和物料的粘度成正比，粘度大的塑料，螺杆对它所产生的压力高；粘度小时，压力会降低。物料粘度主要取决于物料本身的分子量大小与其所处的温度。在生产高MFR的聚丙烯产品时应适当降低溶体温度以提高溶体压力来维持一定的流量。
从表1中可以看出，在产品质量流量和挤压机结构尺寸不变的情况下，筒体压力随着产品的熔融指数提高（粘度降低）而下降。
4、筒体温度对树脂的影响
聚丙烯粉料熔融状态的流动性和温度关系密切。ZSK320挤压机筒体给聚丙烯粉料加热通过筒体的加热板来完成，冷却由脉冲温度调节阀控制常温脱盐水流量来调节。在生产负荷与节流阀开度不变的情况下，熔融的聚丙烯温度随产品MFR的提高而降低。这是因为低MFR牌号的溶体相对分子质量大，粘度较高，挤压机需要消耗一部分机械能转化为溶体的热能和压力能。筒体温度要根据产品的MFR大小来做相应的调整。过低的温度会造成网前压力过高，不利于挤压机的稳定运行。过高的温度会使产品发生降解。筒体温度通常设定在210℃～250℃之间。依据生产经验，在生产MFR在2.5～8g/10min的产品时，我们设定筒体温度在245℃左右，生产MFR在10～30g/10min的产品时，筒体温度设定在230℃左右，这样的温度设置可以得到质量较好的聚丙烯产品。
5、节流阀对溶体压力的影响
节流阀安装在挤压机的换网器前如图所示，用来控制挤压机的背压。在造粒机启动前，必须先完成节流控制。最大节流位置为80°（位置“1”）。此位置的节流值一般为50%到70 %之間。
在以下情况下节流阀可以适当关小节流：
1）生产高MFR聚丙烯（以便改进温度的均匀性）。
2）生产过氧化物降解的聚丙烯（使溶料和过氧化物充分反应）。
3）提高聚丙烯的质量（膜层质量）。
根据实际生产经验，当物料MFR在3～20g/10min时节流阀开度设定在30°～35°之间为宜。在生产高熔融指数产品时，节流阀开度小于30°可能会出现不熔料。应关小节流阀开度，适当提高阀前压力，增加物料在筒体中的停留时间，从而提高混炼程度。但是，节流阀开度不宜太小，因为树脂混炼过度容易发生降解，表现出树脂变色、冒烟、MFR上升以及力学性能下降。如图1所示，节流阀开度在35～40°之间压力变化开始敏感，进行调整时一定要缓慢。节流阀开度大于45°时，压力上升明显，不利于平稳操作，在此区间调整要更加谨慎。
6、切粒水温度对树脂的影响
切粒水使用脱盐水，适当的切粒水温度可优化粒子形状，当熔融树脂从模孔出来，被切成2～3mm长度的粒子，水室中切粒水完全覆盖模板表面，粒子立即被冷却。切粒水从模板和树脂带出的热量与热油和熔体带给模板的热量达到平衡。切粒水温度过高树脂切粒后冷却不及时，易出现串料、粘料从而引发缠刀、灌肠等事故，切粒水温度过低，使模板温度低，会冻堵模孔，同时树脂变脆切削时碎粒增多，切粒水典型操作温度范围为40～65℃。切粒水温度与产品MFR有很大关系，生产不同牌号产品时，水温也应做相应调整。
7、切粒机与模板对切粒效果的影响
切刀与模板的配合是影响聚丙烯颗粒外观主要因素，对切粒效果起着至关重要的作用。包括模板的安装垂直度、模板切粒区域的平面度、切粒刀盘的进退刀油压、切粒刀安装时平面度、切粒刀的硬度、切粒刀刀刃的锋利程度、切粒机刀轴的全跳动等。
7.1切刀与模板的对中
水下切粒机和模板有四点定心系统保证刀轴对模头的重复定位。四点定心系统包括安装于模头上的四个定心部件和装于造粒机罩上四个导向件。定心部件和导向件相互间的最大净距为0.3毫米，它们与模头对中。定心部件和导引部件一起将造粒机罩定位在模头中心位置，精度应<0.3毫米。为补偿热膨胀，定心部件和导引部件之间应具有3毫米的净距，如图2所示。
在正常切粒过程中，切刀至模板的轴向跳动不能大于0.02毫米。否则切粒容易出现不规则颗粒和垫刀料等。当切刀和模板间隙小于3毫米时，应当考虑更换新的切刀或模板。
7.2切刀的主要影响参数
造粒机刀片的设计和条件对于获得良好的切割效果至关重要。特别是在生产高MFR产品时，对刀刃的表面粗糙度、平整度和锐度等重要因素要求更高。通常造粒机刀切削表面与背面间的平行度<0.01毫米。对于所有新的或重新加工过的造粒机刀的厚度容差最大为±0.01毫米。
俗话说，磨刀不误砍柴工，因此，磨刀对挤压造粒来说是一项必不可少的工序。新装上的切刀在生产前都要求磨刀，刀片研磨以低的进刀液压压力开始的。
7.3适当的进刀油压
产品流动性越大，在造粒时其特性越“湿”，要获得良好的切割效果，刀片触点压力很重要。而高的进刀油压会加速切刀与模板的磨损。如果是过氧化降解产品（如牌号Y38），过氧化物反应是否完全十分重要。聚丙烯更是可能在造粒机刀和模头切削表面之间形成膜，这样会造成生产出碎屑、团块、“天使的头发”形状物或结块，从而会导致切粒故障停车。因此，适当的进刀油压对切粒成型至关重要，可以参考切刀的进刀量和磨损量来调整进刀油压。
7.4切粒机刀轴的全跳动
切粒机刀轴的全跳动不应过大，过大的跳动会导致刀盘上的切刀与模板配合间隙时大时小。特别是在生产高MFR产品时，溶体流速较快，切刀与模板间隙变化过大会导致粒子带尾，颗粒外观畸形，同时会影响切粒机的稳定运行，导致振动偏大，切刀磨损快，寿命短。如果刀轴影响了切粒机的切粒效果时应及时更换刀轴。
8、结束语
經过以上分析，装置在生产不同MFR牌号时，挤压机筒体温度和节流阀开度应做相应的调整。在挤压机和切粒机运行期间，实时关注切粒机进刀量和磨损量，及时调整进刀油压以保证模板和切粒机的间隙合适。通过优化工艺操作和设备安装精度，从而保证聚丙烯产品的顺利开发和生产。
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